合成材料工程应用现状

合成材料工程应用现状

王彪

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【摘要】水泥、钢筋混凝土和钢材是现代工程中最常用的三大建筑材料。一般将常用的土工合成材料分为土工织物、土工膜、特种土工合成材料和土工复合材料。土工合成材料的优点是比重小、整体连续性强、抗拉强度高、耐腐蚀、抗微生物侵蚀、较天然材料强。基于此，本文对工程土工合成材料的应用现状与发展趋势进行了研究。

【关键词】土工合成材料 应用现状 发展趋势

土工合成材料是近几十年发展起来的一种新型岩土工程材料。它以人工合成的聚合物，如塑料、化纤、合成橡胶等为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面和各层土体之间，起着加强和保护土体的作用。虽然土工合成材料问世历史不长，然而整个土木工程却因之发生了巨大变化，许多土木工程领域中的新概念也应运而生。土工合成材料是一种多功能的材料，利用合成纤维高强性、整体连续性、良好水理性和抗腐蚀等特性，可开发成透水的工程材料。目前已在水利、公路、铁路、工业与民用建筑、海港、采矿、军工等工程的各个领域得到广泛的应用。

一、土工合成材料应用现状
　　1.1国外应用现状
　　西方国家的科学技术一直处于全球领先地位，在土工合成材料领域也不例外。刻门现有的土工合成材料技术基本上是从西方引用过来的，早在十九世纪初期，美国就开始将其用于公路路面的加固及防渗。在十九世纪60年代，机织卜工布开始应用于防护工程，非织造土工布的出现改善了机织土工布性能，特别是80年代以来其应用高速发展。世界上除了比较落后的国家与地区，大部分都有使用土工布的工程。土工合成材料已成为土木工程中不可或缺的建筑材料和建筑构件。
　　1.2国内应用现状
　　土工合成材料在我国的应用历史短、起步低、工程较单一。开始是以土工膜为代表应用于水利工程中。十九世纪80年代土木工程中开始使用非织造土工布，而后出现土工模袋。近30年以来，土工合成材料在我国經历了初创阶段、发展阶段及逐渐成熟阶段。截止到目前，我国的水利、高铁、公路、水库及航道整治等工程开始广泛使用土工合成材料。

二、土工材料应用现状

1、加筋

（1）加筋土坡

将土工合成材料(土工格栅或土工织物)加入土坡中可以起加筋作用。就加筋功能而言,同针织土工织物相比,土工格栅和有纺土工织物可以在较小的应变下发挥作用,针织土工织物则具有土工格栅和有纺土工织物所不具有的土工合成材料平面内的透水性。在实际应用过程中,可将不同的土工合成材料组合使用,使得加筋效果更加良好。例如可将针织土工织物与土工格栅叠合铺设、针织土工织物与有纺土工织物叠合铺设结合,具有加筋和排水功能;土工合成材料作为土坡内排水系统(竖向和水平向)和土工格栅、有纺土工织物结合。土工合成材料在加筋土坡中的应用前景是将土工合成材料作为含有活性炭纤维的载体,使土工合成材料成为具有导水性的填充聚合物或金属纤维。从而,通过电泳、离子转移和电渗改善加筋区内细粒土的性质。

（2）加筋土挡墙

与加筋土坡类似,加筋土挡墙可以形成直立墙面。加筋材料可以是土工织物,但采用更多的是土工格栅。土工合成材料在加筋土挡墙中的应用前景是在锚固区设置聚合绳、条带和锚具(或土钉),将墙面单元通过加筋体锚固在锚固区。实质上,这一概念在20 世纪80 年代在我国的加筋土挡墙上已经采用。如果加筋土挡墙距岩体较近,也可以将锚具(或土钉)锚固在岩石上。

2、排水

土工织物主要是无纺织物，是良好的透水材料。无论是织物的法向或水平向，均具有较好的排水能力，能将土体内的水积聚到织物内部, 形成一排水通道，排出土体。较厚的针刺无纺土工布和一些具有较多孔隙的复合土工布都可以起排水作用。在岩土工程中很多情况下需要采取排水措施, 以降低渗透压力，或加速土体的固结,或降低无压渗流场的浸润线的位置。过去所采用的常规措施是在适当的部位(如两种透水性不同的土层的交界面，或土料与混凝土建筑物表面的交界面等)铺放在碎石层进行排水。用土工织物则可取代这种碎石层。这种取代不仅可以收到排水效果，而且施工特别简单(特别对倾斜或垂直方向的施工面) ，工程造价也可以大为节省。可用于土坝内垂直或水平排水，土坝或土堤中的防渗土工膜后面或混凝土护面下部的排水，埋入土体中消散孔隙水压力，软基处理中垂直排水，挡土墙后面的排水等。

3、防渗

（1）混凝土坝防渗

在混凝土坝的上游面粘贴土工膜。沿垂直方向每隔2 米设一水平不锈钢槽,以夹紧土工膜。该方法的改善是先在混凝土坝上游面设置土工网格,然后将土工膜粘贴在土工网格上。由于紫外线和氧化作用,土工膜的寿命受到限制。如遇高温,这些作用对大多数聚合材料的影响非常大。这方面的发展前景应是开发改善型的聚合材料,以提供寿命更长的土工膜。

（2）隧道防渗

现行的方法是将土工膜用于永久性混凝土里侧的防渗体,与克重较大的针刺非织造土工织物一起,将水导入设在隧道底脚的排水出口,形成封闭的排水系统。然而,土工膜及其下面的土工织物的布置是很困难的。土工合成材料会从临时的护顶下垂,在永久性混凝土衬砌施工时容易遭到破坏。土工合成材料应和永久性混凝土衬砌同时施工,以避免在永久性混凝土衬砌施工时损坏土工合成材料。将来的发展是开发寿命在100 年以上的土工合成材料,以抵抗隧道周围的不利环境,因而施工方法的改进和材料的寿命是最关键的问题。

4、隔离

将土工合成材料放在不同的材料之间或同一材料不同粒径之间及土体表面与上部建筑结构之间，使其隔离开来。当受外部荷载作用时,虽然材料受力互相挤压，而由于土工织物在中间隔开，不使互相混杂或流失，保持材料的整体结构和功能。隔离用的土工织物必须有较高的强度来承受外部荷载作用时而产生的应力，保证结构的整体性。可用于道路基层与路基之间或路基与地基之间的隔离层，在土石混合坝中隔离不同的筑坝材料，用作坝体与地基之间的隔离体，堆场与地基间的隔离层等。

工程土工合成材料的发展趋势

目前国内一些较大的工程，跨世纪工程中均不同程度地应用了土工合成材料。如长江三峡工程，长江口深水航道整治工程，上海浦东国际机场等，由此可以看出中国正成为土工合成材料应用与销售的最大市场。世界各国对中国土工合成材料的应用与发展都十分关注，积极筹划将设备和产品打入中国市场，这也充分说明中国土工合成材料市场的潜在能力很大。虽然近几十年来土工合成材料总的发展趋势是不管在产品的种类、数量和质量上都有大幅度的提高，而对这一新型材料的认识和应用还不普及，土工合成材料的利用和研究还比较少，有些材料的品种还是空白，与世界上的先进国家相比，还有一定的差距。但是随着工程建设的大规模发展，土工合成材料的推广应用必将在工程建设中得以迅速发挥，发挥巨大的经济效益和社会效益。

四、结束语

土工合成材料具有其独特的力学性能,应用范围广泛，各类土工合成材料已经应用到水利、土建所有的领域中。在某些种类的特定工程中应用土工合成材料，不仅可以减少造价，而且效果都优于其他材料。

参考文献

[1]徐超。土工合成材料［J］. 北京：机械工业出版社，2010

[2]傅江霞。土工合成材料在道路和桥梁工程中的应用[J].中国水运,2009,9(10):241-244.